单片机控制直流电机论文

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1、 1汽车单片机技术课程结课设计报告课程结课设计报告题目：单片机控制直流电动机题目：单片机控制直流电动机专专 业业 汽车服务工程 班班 级级 2013 学学 号号 201301503018 姓姓 名名 曾祥金曾祥金 指导教师指导教师 张 琦 21.11.1 设计要求设计要求: :（1）通过改变通过改变 A/DA/D 输入端可变电阻来改变输入端可变电阻来改变 A/DA/D 的输入电压，的输入电压，D/AD/A 输入检测量大小，输入检测量大小，进而改变直流电机的转速。进而改变直流电机的转速。（2 2）手动控制。在键盘上设置两个按键）手动控制。在键盘上设置两个按键直流电动机加速键和直流电机减速键。在直

2、流电动机加速键和直流电机减速键。在手动状态下，每按一次键，电机的转速按照约定的速率改变。手动状态下，每按一次键，电机的转速按照约定的速率改变。1.2 设计原理直流电机是通过两个磁场的互作用产生旋转。其结构如下页图所示，固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极 N 和 S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由 A 和 X 两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷 B1

3、 和 B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。定子通过永磁体或受激励电磁铁产生一个固定磁场，由于转子由一系列电磁体构成，当电流通过其中一个绕组时会产生一个磁场。对有刷直流电机而言，转子上的换向器和定子的电刷在电机旋转时为每个绕组供给电能。通电转子绕组与定子磁体有相反极性，因而相互吸引，使转子转动至与定子磁场对准的位置。当转子到达对准位置时，电刷通过换向器为下一组绕组供电，从而使转子维持旋转运动。直流电机的速度与施加的电压成正比，输出转矩则与电流成正比。由于必须在工作期间改变直流电机的速度，直流电机的控制是一个较困难的问题。直流电机高效运行的最常见方法是施加一个 PWM（脉宽调

4、制）方波，其占空比对应于所需速度。电机起到一个低通滤波器作用，将 PWM 信号转换为有效直流电平。特别是对于微处理器驱动的直流电机，由于 PWM 信号相对容易产生，这种驱动方式使用的更为广泛。1.3 整体设计为了使用单片机对电动机进行控制，对单片机的基本要求应有足够快点速度；有捕捉功能。总体设计方案如图所示3图 1.1 总体设计方案键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过 P1 口输出与转速相应的 8 位 BCD 编码，该编码通过 DAC0832 译成相应的模拟电压，经过信号放大实现电动机转向与转速的控制。可变电阻接 ADC0808 转变成相应电压的数字信号，单片机通过 P2 口读取，再由

5、P1口输出与转速相应的 8 位 BCD 编码。电动机的运转状态则通过四位数码管显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时最高位显示“三” ，其它三位为电机转速；反转时最高位显示“F” ，其它三位为电机转速。每次电动机启动后开始显示，停止时数码管显示出“0000” 。 单片机DAC0832数码管显示按键控制ADC0808电压信号信号放大驱动电机4第第 2 章章 系统硬件设计系统硬件设计根据总设计方案可知硬件电路是以单片机为核心辅以适当的电路以完成要求功能。主要包括显示模块，A/D 转换模块，D/A 转换模块等模块。2.1 按键电路2.1.1 AT89C51AT89C51 是一种带 4K

6、字节 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C51 单片

7、机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图 2.1 按键电路的设计AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 5个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。2.1.2 按键电路如图 2.

8、1 所示，单片机的 P2.1 和 P2.2 口分别接一个按键用于控制电机。当按下 S1 键时，电机转速提高，进入加速状态；当按下 S2 键时，电机转速减慢，进入减速状态。通过 S1，S2 两个按键可以达到键盘控制电机的作用。2.2 显示电路2.2.1 MAX7219MAX7219/MAX7221 是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与 8 位数字的 7 段数字 LED 显示，也可以连接条线图显示器或者 64 个独立的 LED。其上包括一个片上的 B 型 BCD 编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个 8*8的静态 RAM 用来存储每一个数据。 只有一个外部寄存器

9、用来设置各个 LED 的段电流。 MAX7221 与 SPI、 QSPI以及 MICROWIRE相兼容，同时它有限制回转电流的段驱动来减少 EMI（电磁干扰） 。 一个方便的四线串行接口可以联接所有通用的微处理器。每个数据可以寻址在更新时不需要改写所有的显示。MAX7219/MAX7221 同样允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。 整个设备包含一个 150A 的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，一个扫描限制寄存器允许用户显示 1-8 位数据，还有一个让所有 LED发光的检测模式。功能特点：1、10MHz 连续串行口 62、独立的 LED 段控制 3、数字的译码与非译码选择 4、150A

10、的低功耗关闭模式 5、亮度的数字和模拟控制 6、高电压中断显示 7、共阴极 LED 显示驱动 8、限制回转电流的段驱动来减少 EMI（MAX7221） 9、SPI, QSPI, MICROWIRE 串行接口（MAX7221） 10、24 脚的 DIP 和 SO 封装2.2.2 工作原理图 2.2 显示电路的设计7如图 2.2 所示，可变电阻接 ADC0808 转变成相应电压的数字信号，单片机通过 P0 口读取，再由 P1 口输出与转速相应的 8 位 BCD 编码到 MAX7219。经由 MAX7219 处理后通过四位数码管显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时最高位显示“三” ，其

11、它三位为电机转速；反转时最高位显示“F” ，其它三位为电机转速。每次电动机启动后开始显示，停止时数码管显示出“0000” 。2.3 A/D 转换模块2.3.1 ADC0808ADC0808 是美国国家半导体公司生产的 CMOS 工艺 8 通道，8 位逐次逼近式 A/D 模数转换器。其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。是目前国内应用最广泛的 8 位通用 A/D 芯片。主要特性1）8 路输入通道，8 位 A/D 转换器，即分辨率为 8 位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为 100s(时钟为 640kHz

12、时)，130s（时钟为 500kHz 时） 4）单个+5V 电源供电。 5）模拟输入电压范围 0+5V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-40+85 摄氏度。 7）低功耗，约 15mW。ADC0809 的工作过程首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通 8路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 A/D 转换完成，EOC 变为高电平，指示 A/D 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电8平 时，输出三态门打开，

13、转换结果的数字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 A/D 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认 A/D 转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 （1）定时传送方式 对于一种 A/D 转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809 转换时间为 128s，相当于 6MHz 的 MCS-51 单片机共 64 个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D 转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式 A/D 转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如 ADC

14、0808 的 EOC 端。因此可以用查询方式，测试 EOC 的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式 把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE 信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。9图 2.3 AD 转换电路的设计2.3.2 工作原理如图 2.3 所示，外部电源通过滑动变阻器向 ADC0808 输入控制电压信号，经 A/D 处理后，输入到 AT89C51 中，交由 AT89C51 处理，进行下一步动作。2.4 D/A

15、 转换模块2.4.1 DAC0832DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个 DA 芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A 转换器由 8 位输入锁存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 转换电路及转换控制电路构成。主要特性参数1.分辨率为 8 位； 2.电流稳定时间 1us； 103.可单缓冲、双缓冲或直接数字输入； 4.只需在满量程下调整其线性度； 5.单一电源供电（+5V+15V） ； 6.低功耗，20mW。DAC0832 的工作方式 DAC0832 进行 D/A 转换，可以采用两种方法对数据进行锁存。 第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而 DAC 寄存器工作在直通状态。具体地说，就是使 和 都为低电平，DAC 寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通；此外，使输入寄存器的控制信号 ILE 处于高电平、 处于低电平，这样，当 端来一个负脉冲时，就可以完成 1 次转换。 第二种方法是使输入寄存器工作在直通状态，而 DAC 寄存器工作在锁存状态。就是使和为低电平，LE 为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通；当和端输入 1 个负脉冲时，使得 DAC 寄存器工作在锁存